Veel kwantummaterialen zijn wiskundig bijna onmogelijk te simuleren omdat de benodigde rekentijd te lang is. Nutsvoorzieningen, een gezamenlijke onderzoeksgroep aan de Freie Universität Berlin en het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB, Duitsland) heeft een manier aangetoond om de rekentijd aanzienlijk te verminderen. Dit zou de ontwikkeling van materialen voor energie-efficiënte IT-technologieën van de toekomst kunnen versnellen.

Supercomputers zijn essentieel voor het onderzoeken van complexe onderzoeksproblemen. In principe, zelfs nieuwe materialen kunnen in computers worden gesimuleerd om hun magnetische en thermische eigenschappen en hun faseovergangen te berekenen. De gouden standaard voor dit soort modellering staat bekend als de kwantum Monte Carlo-methode.

Golf-deeltje dualisme

Echter, deze methode heeft een intrinsiek probleem:vanwege het fysieke golf-deeltjes dualisme van kwantumsystemen, elk deeltje in een vaste stof heeft niet alleen deeltjesachtige eigenschappen zoals massa en momentum, maar ook golfachtige eigenschappen zoals fase. Interferentie zorgt ervoor dat de "golven" op elkaar worden gesuperponeerd, zodat ze elkaar lokaal versterken (optellen) of opheffen (aftrekken). Dit maakt de berekeningen uiterst complex. Het wordt verwezen naar het tekenprobleem van de kwantum Monte Carlo-methode.

Minimalisering van het probleem

"De berekening van kwantummateriaalkenmerken kost elke dag ongeveer een miljoen uur CPU op mainframecomputers, " zegt prof. Jens Eisert, die aan het hoofd staat van de gezamenlijke onderzoeksgroep van de Freie Universität Berlin en de HZB. "Dit is een zeer aanzienlijk deel van de totale beschikbare rekentijd." Samen met zijn team, de theoretisch fysicus heeft nu een wiskundige procedure ontwikkeld waarmee de rekenkosten van het tekenprobleem sterk kunnen worden verminderd. "We laten zien dat solid-state systemen vanuit heel verschillende perspectieven kunnen worden bekeken. Het tekenprobleem speelt in deze verschillende perspectieven een andere rol. Het is dan een kwestie van het solid-state systeem zodanig aanpakken dat het tekenprobleem geminimaliseerd, " legt Dominik Hangleiter uit, eerste auteur van de studie die nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Van eenvoudige spinsystemen tot complexere

Voor eenvoudige solid-state systemen met spins, die zogenaamde Heisenberg-ladders vormen, deze aanpak heeft het team in staat gesteld om de rekentijd voor het tekenprobleem aanzienlijk te verminderen. Echter, de wiskundige tool kan ook worden toegepast op complexere spinsystemen en belooft een snellere berekening van hun eigenschappen.

"Dit biedt ons een nieuwe methode voor versnelde ontwikkeling van materialen met speciale spin-eigenschappen, ", zegt Eisert. Dit soort materialen zou kunnen worden toegepast in toekomstige IT-technologieën waarvoor gegevens met aanzienlijk minder energie moeten worden verwerkt en opgeslagen.